基于水資源再利用的自動蓄水循環(huán)系統(tǒng)

21世紀(jì)，水資源匱乏已成為一個全球性的問題。中國水資源總量豐富，但是在人均分配上，卻達(dá)不到世界人均水平的1/8，節(jié)約城鄉(xiāng)居民生活用水成為節(jié)約水資源的一種有效途徑。

中高層建筑供水長期以來采用如圖1所示方式。即先將水道管網(wǎng)的水儲存在蓄水箱，然后通過水泵加壓送水。

圖1 中高層建筑供水方式[1]

中高層建筑的供水方式不但需要巨大的設(shè)備投資，而且加壓抽水消耗大量的電能，加劇城鄉(xiāng)居民生活電力的消耗。

提出基于水資源再利用的家庭自動蓄水循環(huán)系統(tǒng)，主要面向廣大農(nóng)村及城郊居民，建議將水箱安裝在居民獨立樓房的頂層，并設(shè)置雨水收集系統(tǒng)，與內(nèi)部供水管道結(jié)合，解決城鄉(xiāng)居民夏天生活用水緊張問題，改變二次加壓系統(tǒng)的電力資源損耗現(xiàn)狀。

1 基于水資源再利用的自動蓄水循環(huán)系統(tǒng)

水資源再利用的家庭自動蓄水循環(huán)系統(tǒng)涉及到雨水收集系統(tǒng)及內(nèi)部供水管道的布置，需要從整體上對房屋架構(gòu)及二次循環(huán)可利用水的供水管道進(jìn)行重新鋪置，以實現(xiàn)最大程度的蓄水。它主要由自動循環(huán)蓄水系統(tǒng)、二次循環(huán)水利用及房屋設(shè)計3部分組成，見圖2。

圖2 自動循環(huán)蓄水系統(tǒng)整體圖

（1）自來水水箱通過浮球機(jī)構(gòu)外接用戶自來水主管道，自動補給及蓄水控制，主要用于居民日常生活用水的供給；

（2）房屋的頂層作為雨水收集系統(tǒng)的一部分，與雨水箱相連，通過溢流孔自動控制雨水收集量，主要用于居民日常清潔用水的供給；

（3）在旱季，雨水箱提供的日常清潔用水可通過自來水水箱與雨水箱的可調(diào)性單向閥由自來水系統(tǒng)自動補給；

（4）內(nèi)部供水管道可分別供應(yīng)日常生活用水及清潔用水，水源分別來自自來水水箱和雨水箱；

（5）樓上的生活用水收集后成為樓下的清潔用水，供循環(huán)使用。

1.1 自動蓄水循環(huán)系統(tǒng)

自動蓄水循環(huán)系統(tǒng)主要采用A/B雙箱設(shè)計，即自來水水箱和雨水箱，見圖3。根據(jù)正常家庭（以3口人計）月均8 t水計算（折合為8 000 L水），用水量約為270 L/天。根據(jù)《建筑給水排水設(shè)計規(guī)范》的有關(guān)規(guī)定，建筑物高位水箱的調(diào)節(jié)面積不宜小于最大時用水量的50％。家庭自動蓄水循環(huán)系統(tǒng)的水箱體積是按照1.0～1.5天的蓄水量計算，自來水水箱的容積為0.5 m3，雨水箱的容積為0.94 m3，使得雨水箱能收集盡可能多的雨水。當(dāng)然，在水箱的體積上，用戶也可以根據(jù)日常用水量的多少調(diào)節(jié)大小，但是建議水箱的蓄水量不超過兩天的平均用水量，以避免二次供水的消毒問題。

圖3 水箱的全剖視圖

自來水水箱外接自來水主管道，主要用于家庭日常用水的供給。在夏天用水高峰期時，城鄉(xiāng)居民生活用水水壓往往不夠，需要二次加壓蓄水。二次加壓蓄水就帶來電力能耗問題。據(jù)調(diào)查了解，一般居民使用的家用抽水泵功率≥0.03 kW[3]，如果在用戶和使用時間達(dá)到一定量的基礎(chǔ)上，那么消耗的電力資源量是巨大的。以一個中小型城市百萬人口計算（約合33.3萬家庭），選用普通電機(jī)功率0.5 kW，日均使用時間2 h，使用時間90天，夏季額外的電力能耗計算公式如下：

0.5×2×90×33.3×105=3.0×108（kW·h）

由此可見，中國一年在城鄉(xiāng)居民生活用水方面，要消耗大量的電力資源。夏天用水高峰期過后，到了深夜，供水管道的水壓往往會恢復(fù)高壓。據(jù)調(diào)查，一般能自動補給到18 m以上的樓層高度，相當(dāng)于6層樓的高度。利用晚上水壓較高自動補充水箱，自然蓄水，不僅節(jié)約了二次加壓蓄水所消耗的電力資源，而且方便城鄉(xiāng)居民的生活。

本方案采用浮球閥門機(jī)構(gòu)自動開閥蓄水和關(guān)閉閥門，見圖4。在蓄水量超過一定值后，蓄水箱里的液面會浮起浮球，當(dāng)浮球升到一定高度之后，終止自來水的進(jìn)入。當(dāng)用水使水位降低，浮球下降，打開閥門進(jìn)水。

樓房頂層通過水管把雨水收集到雨水箱。雨水箱通過溢流孔調(diào)控水量，過多的雨水能通過排水管道溢出。

在自來水水箱和雨水箱之間采用單向閥連通，可調(diào)性的單向閥可以人為調(diào)節(jié)螺釘，使得彈簧的預(yù)緊力可調(diào)，見圖5。雨水箱的水位低于設(shè)定的水位值時，單向閥兩邊會形成水壓差，當(dāng)壓差超過彈簧預(yù)緊力的設(shè)定值之后，自來水水箱里的水就會通過單向閥補給雨水箱。當(dāng)兩邊蓄水量達(dá)到設(shè)定的值后，單向閥關(guān)閉，達(dá)到自動調(diào)控的目的。用戶能根據(jù)自己的需要調(diào)節(jié)單向閥以實現(xiàn)蓄水量的調(diào)節(jié)，水箱結(jié)構(gòu)見圖6。

圖5 單向閥結(jié)構(gòu)的側(cè)視圖及全剖視圖

圖6 水箱結(jié)構(gòu)的正二測視圖

1.2 二次循環(huán)水利用

二次循環(huán)水指中水，也就是再生水，主要是指城市污水或生活污水經(jīng)處理后達(dá)到一定的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，可在一定范圍內(nèi)重復(fù)使用的非飲用水，其水質(zhì)介于上水與下水之間。目前，建筑的中水利用系統(tǒng)是將建筑或小區(qū)內(nèi)使用后的生活污水、廢水經(jīng)適當(dāng)處理后回用于建筑或小區(qū)作為雜用水。

二次循環(huán)水利用系統(tǒng)就是對二次循環(huán)可利用水不經(jīng)任何處理的再次利用。在廚房的排水系統(tǒng)上，采用雙水槽分流處理，將二次循環(huán)可利用水及不可利用水分開處理，對可循環(huán)利用水，如洗米水、洗菜水等，通過收集，使之流入L型管道，在重力勢能的作用下，高樓層的生活廢水能在低樓層使用，最大化地利用生活廢水。

1.3 概念房設(shè)計

新型概念房包括雨水收集系統(tǒng)的設(shè)計和屋內(nèi)供水管道的布置（圖7）。把新型概念房的頂層作為雨水收集系統(tǒng)的一部分，使得收集到的雨水盡可能多地流入蓄水系統(tǒng)。以湛江市各縣區(qū)年均下雨量為2 025.75 mm計算，假設(shè)概念房頂層雨水收集面積為80 m2，那么1年下來收集到雨水量為2.0×80=160 m3，約合160 t水。假若有100萬人采用這套系統(tǒng)，那么1年下來湛江市可節(jié)省的用水量約為1.6×108m3。

圖7 概念房結(jié)構(gòu)設(shè)計

2 蓄水箱的消毒

水箱的消毒一般有：（1）在水箱的出水管上設(shè)紫外線消毒器；（2）電解法次氯酸鈉發(fā)生器；（3）電解法二氧化氯復(fù)合消毒劑發(fā)生器；（4）水箱自潔消毒器[2]。自潔消毒器的前提是水中的氯化物含量不小于15 mg/L，并有數(shù)小時的停留時間。根據(jù)規(guī)定，生活飲用水箱在48 h不能得到更新時，應(yīng)設(shè)消毒處理裝置。但多數(shù)情況下遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足48 h內(nèi)更新的要求，一般不需要設(shè)消毒裝置。但對于醫(yī)療機(jī)構(gòu)等易產(chǎn)生病菌污染的特殊場所，或者從應(yīng)急角度而言，水箱設(shè)置消毒設(shè)施還是很有必要的，而且必須做好平時的維護(hù)與管理。

3 結(jié)論

據(jù)相關(guān)研究報告，我國每年由于缺水帶來350億美元的經(jīng)濟(jì)損失。我國水資源利用效率低，每生產(chǎn)1美元的GDP，其耗水量是20國集團(tuán)平均水平的4倍。我國大約1/5的用水完全可以回收利用[4]。而文中提出的基于水資源再利用的家庭自動蓄水循環(huán)系統(tǒng)就是基于上述考慮而設(shè)計的，希望通過利用夜晚水壓較高自動補給水箱，減少由于家用抽水泵的使用導(dǎo)致的電能損耗；增設(shè)對雨水收集的同時，提高對雨水的利用率，達(dá)到節(jié)能環(huán)保的目的。

[1] 柳澤清.日本直連式供水技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用介紹[C]//中國水協(xié)設(shè)備材料委二次供水設(shè)備選型與應(yīng)用技術(shù)交流研討會論文集.廣西北海：1-3.

[2] 王研.談生活水箱設(shè)計的若干問題[J].給水排水，2005，31(12)：1-2.

[3] From GRUNDFOS Corporation[OL].http：//www.grundfos.com/.

[4] 張玉梅.基于自給的新加坡水資源戰(zhàn)略[J].再生資源與循環(huán)經(jīng)濟(jì)，2011，4(48)：40-44.